基于市场需求的心脏电生理三维标测系统产品设计与开发

史天才 朱显钊 邓立 四川锦江电子医疗器械科技股份有限公司 （四川 成都 610000）

内容提要：为了满足医疗机构、科研机构等客户对心脏电生理检查和辅助诊断的需求，通过市场调研和客户需求分析，结合现有技术和市场需求，设计出符合用户需求的心脏电生理三维标测系统产品方案；进行软硬件开发和集成测试，并进行试验验证和性能评估。经过多次设计和开发，成功地开发了一款基于市场需求的心脏电生理三维标测系统产品。该产品已经通过试验验证和性能评估，并得到了客户的认可和好评。

心脏电生理检查和辅助诊断是现代医疗领域中的一个重要分支，其在心脏病的预防、诊断和治疗方面具有重要意义。目前，随着医疗技术的不断发展和进步，市场对心脏电生理检查和辅助诊断产品的需求也越来越高。因此，本项目旨在设计和开发一款基于市场需求的心脏电生理三维标测系统产品，以满足客户对心脏电生理检查和辅助诊断的需求。将介绍本项目的整体流程和具体实施方法。首先，将进行市场调研和客户需求分析，确定产品设计的主要功能和特点；接着，将结合现有技术和市场需求，设计出符合用户需求的心脏电生理三维标测系统产品方案；然后，将进行软硬件开发和集成测试，并进行试验验证和性能评估；最后，本项目的成功实施，将为医疗机构、科研机构等客户提供更加准确和可靠的心脏电生理检查和辅助诊断服务，进一步推动医疗技术的发展和创新。

1.背景介绍

1.1 心脏电生理三维标测系统的概念及应用

心脏电生理三维标测系统是一种用于心脏电生理检查和辅助诊断的技术，主要通过记录心脏电信号并进行处理，以获取有关心脏结构和功能的信息。该系统可以在三维空间中重建心脏电解剖信息，并对其进行分析和辅助诊断，从而为医疗机构、科研机构等客户提供更加准确和可靠的心脏电生理检查和辅助诊断服务[1]。

传统的心脏电生理检查技术主要存在以下问题：

二维图像无法全面反映心脏电信号的分布情况，难以准确地确定心脏的结构和功能。在心脏电信号的采集和处理过程中，受到人为因素和干扰的影响，难以保证数据的准确性和一致性。传统的心脏电生理检查技术需要人工记忆和操作，过程繁琐，效率低下。

心脏电生理三维标测系统的出现，有效地解决了传统心脏电生理检查技术存在的这些问题。通过使用三维重建技术，心脏电生理三维标测系统是一种高精度、高效率的医疗设备，它可以为医护人员提供可靠的心脏电生理数据，帮助他们更好地诊断和治疗心脏疾病。同时，该系统的三维建模功能可以让医生更加清晰地了解患者的心脏结构和功能，从而为手术治疗提供更加精准的指导。除此之外，本产品还具有测量心腔和血管内压力的功能，这对于手术过程中监测患者生命体征非常重要。

在医疗机构中，本产品已经得到广泛应用，使用磁电融合定位技术，可以达到极高的定位精准度，误差仅为±1.0mm。结合锦江多磁导管，可以实现导管全磁定位，并且能够非常准确地显示导管的形态。

表1是部分医疗机构在使用本公司的心脏电生理三维标测系统时的应用情况。通过使用磁电融合定位技术，本产品可以达到极高的定位精准度，误差仅为±1.0mm。结合锦江多磁导管，可以实现导管全磁定位，并且能够非常准确地显示导管的形态。

表1.部分医疗机构在使用本公司的心脏电生理三维标测系统时的应用情况

表2.数据传输与存储方案

此外，该技术还具有呼吸补偿和门控两种呼吸学习技术，可以有效屏蔽呼吸带来的导管运动干扰。如此，可以实时、稳定、准确地显示导管的运动姿态，从而保证导管操作的安全和高效，同时也减少了射线曝光的风险[2]。

信号真实清晰，能够精准呈现特征电位。此外，还支持快速建模及同步密集点标测，可以建立真实解剖模型，更加准确地展示电生理记录结果。

系统集成了完整的电生理记录系统、自动标测模块、消融控制分析模块、多参数可调刺激模块，实现了多功能一体化。同时，还支持与锦江自研的射频消融系统及脉冲电场消融系统无缝结合，提供三维指导下射频消融+三维指导下脉冲电场消融多种整体解决方案。这样一来，可以为医生提供更加全面、高效、精准的手术指导，帮助他们更好地完成手术任务。综上所述，心脏电生理三维标测系统主要是为了解决传统心脏电生理检查技术存在的局限，提高心脏电生理检查和诊断的准确性、稳定性和效率。

1.2 市场对心脏电生理三维标测系统的需求

首先，心脏电生理三维标测系统可以提高心脏疾病的诊断准确性和效率。传统的心脏电生理检查技术存在一些局限性，使得医生难以准确地确定心脏的结构和功能，从而影响了诊断的准确性。而心脏电生理三维标测系统采用三维重建技术，可以更加全面地反映心脏电信号的分布情况，更加准确地确定心脏的结构和功能，从而提高了诊断的准确性和效率。

其次，心脏电生理三维标测系统可以提高医生的工作效率。传统的心脏电生理检查技术需要人工记忆和手动操作，过程繁琐，效率低下。而心脏电生理三维标测系统采用自动化技术进行数据采集和处理，可以大幅缩短检测和诊断的时间，提高医生的工作效率。

最后，心脏电生理三维标测系统还可以为科研机构提供更加准确和可靠的数据支持。心脏电生理检查和诊断在心血管疾病的基础研究中具有重要的应用价值，而心脏电生理三维标测系统可以提供更加准确和可靠的数据支持，进一步推动心血管疾病的研究和治疗。

综上所述，市场对心脏电生理三维标测系统的需求不断增加，主要是因为该系统可以提高心脏疾病的诊断准确性和效率，提高医生的工作效率，为科研机构提供更加准确和可靠的数据支持。

2.产品设计

2.1 系统硬件设计

2.1.1 采集设备的选择与设计

在设计心脏电生理三维标测系统产品采集设备时，需要考虑以下几个方面：①信号采集方式：心脏电信号是非常微弱的生物电信号，因此需要选择高灵敏度的信号采集器，并且需要考虑如何减少干扰信号的影响。②数据传输方式：采集到的心脏电信号需要进行传输和处理，因此需要选择高速、实时、可靠的数据传输方式，以保证数据的准确性和稳定性。③数据处理器：心脏电生理三维标测系统需要对采集到的数据进行处理和分析，因此需要选择高性能的数据处理器，并且需要考虑如何优化算法，提高数据处理效率。④设计可靠性：由于心脏电生理检查和诊断的重要性，因此采集设备的设计必须具有高可靠性，能够在长时间的使用中保持稳定性和准确性。⑤设计易用性：心脏电生理三维标测系统的用户群体包括医生、科研人员等，因此采集设备的设计应该注重易用性和人性化，方便用户操作和数据处理。

综合考虑以上几个方面，可以选择高灵敏度的心电图采集器、高速稳定的数据传输方式、高性能的数据处理器，并且需要进行优化算法，提高数据处理效率。同时，在设计采集设备时，需要注重可靠性和易用性，以满足医生和科研人员的需求。

2.1.2 数据传输与存储方案

例如，当一位患者进行心电图检查时，心电图信号采集模块会通过高速总线传输将心电图信号传输到硬件控制传输模块。同时，三维定位模块也会通过高速总线传输将三维定位数据传输到硬件控制传输模块。硬件控制传输模块再通过高速光纤，将这些数据传输到计算机设备，以保证数据传输的稳定性和可靠性。最后，计算机设备将心电图信号和三维心电图数据存储在硬盘中，并进行压缩处理。同时，还会建立数据备份和校验机制，定期将数据备份到外部存储设备，以确保数据的安全性和可靠性。

2.1.3 三维磁电定位技术

通过设备发放电磁场，形成电场和磁场定位空间，结合导管内部传感器，采集场信息并解算，获得导管传感器位置。此外，该系统还能够实现三维建模技术，包括CT/MRI影像三维解剖重构，以及三维实时建模和心电标测功能。

具体而言，该技术的工作原理是通过在目标区域周围发放电磁场，形成电场和磁场定位空间，然后利用导管内部的传感器采集场信息，并进行解算，从而获得导管传感器位置。该技术可以实现高精度的导管定位，为手术操作提供有力支持。

此外，该系统还能够实现三维建模技术，包括CT/MRI影像三维解剖重构，以及三维实时建模和心电标测功能。通过将三维解剖重构和实时建模技术相结合，可以更加直观地观察导管的位置和周围解剖结构位置关系，为手术操作提供更加准确的指导。同时，心电标测功能可以帮助医生更好地了解患者的心电传导和基质情况，为手术操作提供更全面的信息支持。

2.2 系统软件设计

2.2.1 数据处理算法的设计与实现

以下是心脏电生理三维标测系统产品数据处理算法的举例公式：

2.2.1.1 心电信号滤波算法

心电信号滤波算法的实现通常采用数字滤波器，其中常用的滤波器有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器等。

具体来说，设输入的心电信号为x(n)，输出的信号为y(n)，则低通滤波器的差分方程见公式（1）：

其中，a和b是滤波器的系数，根据需要进行设置。高通滤波器和带通滤波器的差分方程类似，具体的实现可以根据实际需求进行选择。

2.2.1.2 三维重建算法

心脏电生理三维标测系统产品采用的三维重建算法通常基于磁电融合定位技术和导管全磁定位技术，通过对采集到的心脏电信号和导管位置进行重建，得到心脏的三维模型。具体的算法包括最小二乘法、插值法、曲面重建等方法。

2.2.1.3 心脏电活动的分析算法

心脏电活动的分析算法通常包括心率、QRS波形、ST段和T波等参数的计算和分析。其中，心率的计算可以采用公式（2）：

其中，RR间期指相邻两个R波之间的时间间隔，采样频率指采集设备的采样频率。

2.2.1.4 图像显示算法

图像显示算法通常基于OpenGL等图形库进行实现，将采集并处理好的心脏电信号和三维模型以图像的形式显示出来，方便医生进行观察和诊断。其中，纹理映射是一种将图像贴到三维模型表面上的技术，可以用来在三维模型上可视化心脏电信号。在OpenGL中，可以使用公式（3）、公式（4）进行纹理坐标的计算：

式中，x和y分别表示纹理图像中的像素坐标，width和height分别表示纹理图像的宽度和高度，u和v分别表示纹理坐标。

2.2.2 用户界面设计

心脏电生理三维标测系统产品用户界面设计需要考虑到用户的使用习惯和需求，具有直观、易用、美观等特点。以下是一些常用的设计思路和原则：①界面布局清晰：采用分组、分类、标签等方式对功能进行划分和组织，使得用户可以轻松地找到所需的功能。②功能导航简单：采用菜单、工具栏、状态栏等方式对功能进行导航和展示，同时可以添加快捷键等操作方式，提高系统的使用效率。③操作反馈及时：采用提示框、进度条等方式对操作进行反馈，同时可以添加音效等方式增强用户的交互体验。④界面风格统一：采用现代化、扁平化等风格，同时可以根据不同用户群体的需求进行定制化设计，提高系统的用户满意度。⑤界面响应速度快：采用多线程、异步加载等方式提高界面的响应速度，同时优化代码和算法，减少系统的资源占用率。

综上所述，心脏电生理三维标测系统产品用户界面设计需要考虑到用户的使用习惯和需求，具有直观、易用、美观等特点，同时要注意界面布局清晰、功能导航简单、操作反馈及时、界面风格统一和响应速度快等设计原则。

2.2.3 系统性能优化

心脏电生理三维标测系统的性能优化如表3所示。

表3.心脏电生理三维标测系统的性能优化

表4.心脏电生理三维标测系统功能测试的示例结果

3.产品开发

3.1 系统架构设计

心脏电生理三维标测系统是一种复杂的软件系统，需要经过合理的架构设计才能实现高效、稳定和可扩展的运行。该系统采用分层架构，将系统按照功能划分为多个模块，每个模块负责不同的功能实现。系统分为界面层、业务逻辑层和数据访问层三个层次。

3.1.1 界面层

界面层负责与用户进行交互，包括用户输入、显示结果等操作。该层采用MVC模式，将界面、控制器和模型进行分离，使得系统更加灵活和易于维护。界面层采用MFC框架进行开发，提供友好的用户界面和丰富的交互功能。

3.1.2 业务逻辑层

业务逻辑层负责处理用户的请求，并进行相应的业务逻辑处理。该层采用C++语言进行开发，包括信号处理、滤波、分析和辅助诊断等功能。为了提高系统的性能和扩展性，业务逻辑层采用多线程技术，将耗时的操作放到子线程中，避免阻塞主线程。

3.1.3 数据访问层

数据访问层负责与数据库进行交互，进行数据的存储和查询等操作。该层采用数据库进行存储和管理数据，同时采用ORM框架进行开发，提供更加便捷和高效的数据访问接口。

3.1.4 系统通信

系统通信模块负责与外部设备进行通信，包括消融仪、导管等设备。该模块采用串口通信和网络通信技术，实现与外部设备的数据交换和控制。

综上所述，心脏电生理三维标测系统采用分层架构设计，将系统按照功能划分为多个模块，实现了界面层、业务逻辑层和数据访问层的分离，同时采用多线程技术和ORM框架等技术，提高了系统的性能和可扩展性。系统通信模块实现了与外部设备的数据交换和控制，为系统的应用提供了更加便捷和高效的手段。

3.2 系统功能测试

心脏电生理三维标测系统的功能测试是系统测试中非常重要的一部分，主要是为了验证系统的各项功能是否符合用户需求和规格要求。以下是该系统的功能测试内容：

3.2.1 信号采集和处理功能测试

测试系统是否能够正确采集心电信号，并进行预处理、滤波、去噪等处理，以保证信号的准确性和稳定性。

3.2.2 心电图分析和诊断功能测试测试系统是否能够对心电图进行分析，包括心率、激动时间、单双极电压方面的分析。

3.2.3 数据库管理功能测试测试系统是否能够正确地进行数据的存储、查询、修改和删除等操作，并保证数据的完整性和安全性。

3.2.4 系统设置和配置功能测试

测试系统是否能够正确地进行系统设置和配置，包括参数设置、用户管理、权限管理等方面的设置，以保证系统的可靠性和安全性。

3.2.5 界面操作功能测试

测试系统的界面操作是否流畅、简洁、易用，是否符合用户体验和人机工程学要求。

3.2.6 外部设备通信功能测试

测试系统是否能够正确地与外部设备进行通信，包括消融仪、导管等设备，以保证数据的准确性和稳定性。

通过以上功能测试，可以验证系统的各项功能是否符合用户需求和规格要求，发现并解决潜在的问题和风险，提高系统的质量和可靠性。

3.3 系统测试结果

通过以上功能测试，系统能够符合用户需求和规格要求，各项功能均通过测试。同时，在测试过程中发现的问题和风险已经得到及时解决，保证了系统的质量和可靠性。

4.小结

综上所述，本文提出了一款基于市场需求的心脏电生理三维标测系统产品，该产品已通过试验验证和性能评估，并得到客户认可和好评。该产品将为医疗机构、科研机构等客户提供更加准确和可靠的心脏电生理检查和辅助诊断服务，推动医疗技术的发展和创新。这款心脏电生理三维标测系统产品的开发，是基于市场需求和技术创新的双重驱动，旨在提供更加准确和可靠的心脏电生理检查和辅助诊断服务，满足医疗机构、科研机构等客户的需求[3]。经过实验验证和性能评估，该产品已证明具有良好的性能和可靠性，并得到客户的认可和好评。

该产品的成功开发，不仅推动了医疗技术的发展和创新，也为行业带来了巨大的商业价值和社会价值。未来，随着技术的不断进步和应用的不断拓展，该产品将发挥更加重要的作用，为人们的健康和生命安全保驾护航。